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    高光谱遥感带你穿云透雾火眼金睛

    2017-07-26 10:02:08 来源: 人民网
    聊聊

    测绘网讯 在2016年度中国遥感领域10大事件评选中,“遥感技术首次辅助城市黑臭水体整治工作取得实效”名列榜首。而这与高光谱遥感技术有很密切的联系。

    那么,高光谱遥感技术到底是怎么回事儿?高光谱分辨率遥感是用很窄而连续的光谱通道对地物持续遥感成像的技术。在可见光到短波红外波段其光谱分辨率高达纳米(nm)数量级,通常具有波段多的特点,光谱通道数多达数十甚至数百个以上,而且各光谱通道间往往是连续的,因此高光谱遥感又通常被称为成像光谱遥感。

    在电影《地雷战》中有一个情景:民兵埋地雷的时候,用树枝进行掩盖,让埋藏地雷的地方看起来和周围一样;还有的干脆把鞋脱了,轻轻地压一个鞋印,以迷惑敌人。但是在今天,这种伪装就一点用也没有了,高光谱遥感技术能将一个个地雷精确地找到。

    1.光谱:物体独一的身份证

    遥感可以概括为借助光、热、无线电波等电磁能量来探测地物特性的科学。在20世纪60年代之前,人类对地球和宇宙的观测还主要以可见光为主。

    人们日常生活中所见的光,是由多种颜色构成的复色光,通过棱镜等分光后显现的是单色光。这些单色光按不同波长(或频率)大小依次排列形成的图案,就是光谱。地球上不同的元素及其化合物,由于物质组成、结构等不同,都有不同的光谱特征。这些独特的光谱特性,类似于人类指纹的功能,是遥感科学中用以识别和分析不同物体特征的一种重要的“身份证”。

    高光谱遥感实际上是一种简称,它的全称叫“高光谱分辨率遥感”。它不像多光谱遥感中根据颜色的差异来分辨目标,而是根据谱段光谱曲线的形态来分析目标是什么。光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式。如果说肉眼光学成像能看到物质的形状、尺寸等信息,光谱分析则能获取物质的成分信息。

    据中国科学院遥感与数字地球研究所张兵研究员介绍,高光谱遥感能在可见光到短波红外范围内连续光谱成像,不仅光谱探测范围超过了肉眼的感知,还能连续记录数百个光谱波段。因此,用肉眼甚至普通的光学遥感不能识别的地面物体,这项技术都能够更好地分辨出其内在的物理、化学特性,甚至是物质的分子和原子结构。

    如果说彩色合成遥感图像主要是根据颜色和形态的差异来分辨地面物体,那么高光谱遥感则是根据光谱曲线的形态来识别地面物体。它利用成像光谱仪在连续的几十个甚至几百个光谱通道获取地物辐射信息,在取得地物空间图像同时,每个像元都能够得到一条包含地物诊断性光谱特征的连续光谱曲线。张兵举例说:“在数百公里高度运行的高光谱卫星,不仅能观测到地面覆盖的是不是植被,还能探知这些植被的具体种类和长势如何。”

    高光谱遥感的出现,是遥感领域的一场革命,使本来在宽波段遥感中不可探测的物质,在高光谱遥感中能被探测。

    2.“火眼金睛”怎样炼成

    上文提到的埋藏的地雷是如何被高光谱遥感技术轻易发现的呢?因为土壤被挖开后再回填回去,土壤的结构、水分都改变了,高光谱遥感技术就是根据这种细微的土质变化,发现了地雷的藏身处。在阿富汗战争期间,美军利用高光谱遥感仪器,可以探测出塔利班武装晚上经常走的道路。高光谱遥感技术还可以发现隐蔽的哨所、坦克,伪装起来的军事设施。

    当前,农业生产管理存在作物营养和病虫害等农情信息大面积监测不及时、监测水平以定性为主、监测精度无法实现定量的精准变量肥水药管理等难题。高光谱遥感技术可以对任何一种农作物的品种、类型、种植面积等情况进行调查,甚至可以对农作物的叶绿素、氮磷钾含量进行分析,为相关决策提供科学依据。中国科学院遥感与数字地球研究所黄文江带领的植被定量遥感研究团队,开展的即是这一工作。

    高光谱遥感技术还可以为地质学家提供帮助。以前,地质学家野外考察时,背着包、拿着罗盘,需要花很大气力把采集到的矿物标本一一背回来进行研究。而自从有了高光谱仪器,他们只要到一个地方用高光谱仪器扫描一下,就可以获得岩石的一条光谱曲线,从野外回来后根据光谱曲线进行分析,可以知道这个地方矿物分布种类以及区域。

    近年来,成像光谱技术也逐渐渗透进了各种非传统遥感行业,比如在医学、生物、刑侦、考古、文物保护等领域开展了广泛的探索性应用。2006年中科院成功研制了国内首套摆扫式地面成像光谱仪,并与故宫博物院等单位合作在古画、唐卡、壁画、墨书等文物的识别和鉴别方面取得了开创性成果。光谱分析技术与智能手机的融合诞生了面向普通民众的高光谱应用,借助于嵌入到智能手机里的光谱仪,人们能够随时随地用手机快速检测果蔬农药残留和食品品质安全等信息。

    3.水质监测领域大有可为

    当前,全国城市黑臭水体的筛查、治理过程监督和整治效果评价,都迫切需要遥感大范围动态监测提供科技支撑,但黑臭水体遥感监测的有关研究几乎为空白。高光谱遥感技术可以对不同污染程度和不同污染来源的黑臭水体进行区分。

    中国科学院遥感与数字地球研究所水环境遥感研究团队在北京等城市开展了十余次黑臭水体野外实验,积累了141个黑臭采样点的实测遥感反射率等数据。基于黑臭水体和一般水体的反射率细微的光谱差异,发展了决策分类树,可以区分一般水体、三种类型的轻度黑臭水体和七种类型的重度黑臭水体。并发展了基于纯度算法的多光谱遥感识别算法,可以识别一种类型的重度黑臭水体,识别精度约90%。基于这一方法,作为参研单位之一,进行了13个城市黑臭水体遥感筛查与实地验证。

    利用高光谱数据对内陆水质开展水华和水生高等植物的识别,从而对水质分布情况进行监测,也是高光谱遥感的重要应用。由于水草和水华光谱与植被光谱具有一定的相似性,常用的多光谱遥感数据很难精确识别水华和水草,只有高光谱遥感数据才能够捕捉复杂多变的水华、水草和水体细致的光谱差异,从而对水华和水草进行精确识别。水环境遥感研究团队利用高光谱遥感技术等构建了水体叶绿素a浓度、总悬浮物浓度、水色FU值等9种水质参数、19个反演模型。其中,针对浑浊水体的悬浮物浓度精度提高了19.7%;研发了国内首个在国家级和省级环保部门业务化运行的内陆水环境遥感系统,为环保部卫星环境应用中心等部门开展水环境遥感应用提供了有力支撑。

    高光谱遥感技术起源于20世纪80年代,已形成了一个颇具特色的前沿领域。我国高光谱遥感的起步和发展基本与国际同步,在开创初期,中科院童庆禧院士和薛永祺院士为此做出了重大贡献。

    1989年,中科院研制了我国第一台模块化航空成像光谱仪,并在20世纪90年代又陆续研发了推帚式成像光谱仪、新型模块化成像光谱仪、轻型高稳定度干涉成像光谱仪等。2002年“神舟三号”搭载了我国第一台航天成像光谱仪,此后我国发射的“嫦娥1号”探月卫星、环境与减灾小卫星(HJ-1)星座、风云气象卫星等也都搭载了航天成像光谱仪。

    我国的高光谱遥感科技发展一直处于国际前列,中科院自主研发的高光谱图像处理与分析通用软件系统(HIPAS)被国际同行评为国际六大顶尖高光谱图像处理软件之一,并在高光谱遥感应用方面实现了向美、日、澳等发达国家的技术输出,成果在国际上产生了重大影响。

    目前,高光谱遥感技术和应用在中国科学院逐渐形成了一个成熟的研究方向和学科领域,具有一支从技术发展到应用研究的专业科研队伍。其中,以遥感与数字地球研究所张兵、张立福研究员和童庆禧院士为突出贡献者的“高光谱遥感研究集体”获得了2016年度中国科学院杰出科技成就奖。(测绘网 小会)

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